ЗА ЯДРАТА И УСКОРИТЕЛИТЕ
Списанието е добавено в количката.
ЗА ЯДРАТА И УСКОРИТЕЛИТЕ. КАКВО Е "ДОБЪР" АКСЕЛЕРАТОР
Ускорителите на тежки йони на лабораторията за ядрени реакции G. N. Flerov в Дубна, обединени в комплекса DRIBs - Dubna Radioactive Ion Beams (радиоактивни йонни лъчи). В ускорителите на комплекса са получени лъчи хелий-6, чието ядро е алфа-частица (състои се от два протона и два неутрона), заобиколена от ореол от два слабо свързани с нея неутрона. Академик Юрий Цолакович Оганесян разказва за работата по изследване на реакциите под действието на тези екзотични изотопи, извършена в лабораторията, известна с откритията на свръхтежки елементи, и за плановете за бъдещето.
Новият ускорителен комплекс DRIBs е насочен към изучаване на ядрени реакции и синтеза на нови ядра под действието на нестабилни (радиоактивни) йонни лъчи, обогатени с протони или неутрони. Например с лъчи не на хелий-3 или хелий-4 - стабилни изотопи на елемента хелий, а на хелий-6 или хелий-8, чийто период на полуразпад е съответно около 0,8 и 0,1 секунди. Тези изотопи първо трябва да се получат в ядрена реакция (което не е лесно), след това да се отделят от страничните продукти, да се йонизират, да се вкарат в друг ускорител, да се ускорят до необходимата енергия и едва тогава да се изследват реакциите под действието на тези екзотични ядра.
Това изисква два ускорителя. Един от тях е производственият, в нашия вариант това е циклотронът У-400М. Ускорява стабилните литиеви йони и създава интензивен лъч от тях. Литиевият лъч взаимодейства с берилиевата цел, причинявайки ядрени реакции. Но ние се интересуваме само от процеса на превръщане на стабилния литий в радиоактивния изотоп хелий-6, тоест реакцията, водеща до загуба на един протон от литий. Ядрото на хелий-6 е интересно с това, че тоЗа разлика от стабилното и много стабилно ядро на хелий-4, то има много необичайна структура. Допълнителните два неутрона не са вътре в ядрото на хелий-6, а през повечето време далеч (в ядрени мащаби) извън него. Те дори се наричат валентни неутрони.
Такава структура - ядрото (добре свързан хелий-4) плюс два външни неутрона (неутронно хало) - е напълно нов обект в ядрената физика. За разлика от ядрата, чиято плътност е приблизително еднаква, хелий-6 се държи по много специален начин в ядрените реакции. При приближаване към целевото ядро изглежда, че външните неутрони трябва да са първите, които взаимодействат. Въпросът е какво ще се случи с ядрото-ядро: или валентните неутрони ще преминат в целевото ядро, а ядрото - хелий-4 - ще бъде отхвърлено, или, напротив, неутроните ще бъдат отхвърлени и хелий-4 ще премине в целевото ядро, или неутроните ще издърпат ядрото заедно с тях и целевото ядро напълно ще погълне ядрото на хелий-6. По този начин има три сценария вместо един, когато се използва стабилният изотоп _ хелий-4, който или ще бъде абсорбиран, или отхвърлен.
Припомнете си, че хелий-6 живее по-малко от секунда. През това време е необходимо да можете да прехвърлите реакционните продукти към йонния източник, да ги йонизирате отново, да ги издърпате от неговата плазма, да отделите хелий-6 йони от други реакционни продукти и да прехвърлите хелий-6 лъча, все още с много ниска енергия, към друг ускорител. Вторият ускорител се намира на около стотина метра от първия. Преодолявайки това разстояние за 0,1 милисекунди, нискоенергийният лъч хелий-6 влиза във втория ускорител и там придобива висока енергия. След това се изважда и се използва. Ето как на два етапа се получават снопове от радиоактивни ядра в съоръжението DRIBs.
Сега можем да мислим за други реакции за синтеза на свръхтежки елементи. Дотук за тезиЗа нашите цели използвахме йонен лъч от стабилен, но много рядък и скъп изотоп, калций-48. В сравнение с най-често срещания изотоп - калций-40 - той има важно предимство: голям излишък от неутрони. Възникна въпросът: възможно ли е да се получи сноп от ядра, макар и нестабилни, но по-тежки и също така силно обогатени с неутрони, за да се напредне по-нататък в синтеза на свръхтежки елементи?
По принцип е възможно, ако се намери реакция, при която да се получат достатъчно голям брой от тези богати на неутрони ядра. Тук е трудно да се намери друг метод, различен от ядреното делене, тъй като деленето на тежко ядро, като уран, произвежда фрагментирани ядра с голям излишък от неутрони. Задачата се свежда до ускоряване на фрагменти от делене на уран, които ще служат като "снаряди" за получаване на свръхтежки елементи. Има много фрагменти и сред тях има един, който е толкова (ако не и повече) уникален като калций-48. Това е изотоп на калай-132 с период на полуразпад 40 секунди! Той има 8 неутрона повече от най-тежкия стабилен изотоп на калай, калай-124. Може би това би бил вторият начин за получаване на свръхтежки елементи, по-стабилни изотопи на тези елементи и следователно по-обещаващи за широк спектър от физични и химични изследвания. Но все още не ни е ясно колко по-ефективна ще бъде реакцията на синтез с лъч калай-132 в сравнение с калций-48. Вероятността за сливане на такова масивно ядро с целевото ядро, водещо до образуването на нов елемент, е неясна.
Тук задачата е разделена на две части.
Първият се отнася до областта на ускорителната технология: как да се получат ускорени фрагменти от делене? Необходимо е да се разбере: способен ли е ускорителен комплекс от типа DRIBs да ускорява фрагменти от делене? За съвременните ускорители, включително DRIB, това е осъществима задача.Вече имаме концептуално подобен проект, свързан с основните ни ускорители. Това обаче е твърде скъпо за вътрешния мащаб на финансиране. Затова все още не сме го „замразили“, а по-скоро започнахме да го внедряваме „открай“ – с реконструкцията на ускорители, които трябва да бъдат модернизирани не само по отношение на синтеза на елементи, но и за много други научни области на лабораторията.
Втората задача е свързана с физиката – с изследване на процесите на синтез на масивни ядра, по-тежки от калций-48. За да оценим шансовете за успех, тази година ще създадем моделен експеримент. Нека се опитаме да получим изотопи на не свръхтежък, а по-скоро тежък елемент 108, като използваме сливането на две ядра ксенон-136 (атомният номер на ксенона е 54). Лъчът на стабилния изотоп ксенон-136 на нашия ускорител U-400 има доста висок интензитет. Като целеви материал ще се използва същият газообразен изотоп. В този експеримент се надяваме да получим количествени данни за вероятността от сливане на две ксенонови ядра. След това, в зависимост от резултата, ще оценим възможностите за използване на лъча калай-132, чийто интензитет, дори и според най-оптимистичните прогнози, ще бъде значително по-нисък от съществуващия интензитет на лъча ксенон-136.
Ако ефектът се окаже положителен, ще хвърлим всичките си усилия в тези работи, ако не, може би ще остане красива идея и ще трябва (за сетен път!) да търсим нови пътища. Във всеки случай обаче „фабриката за радиоактивни лъчи“ открива широки перспективи в изследването на свойствата на недостъпни досега ядра с необичайно съотношение на протони и неутрони, които са на границата на ядрената стабилност.
Модернизацията на ускорителя предполага подобряване на работните му параметри. Въпреки това, концепцията за "добър" или "лош" ускорител трябва да се основава нанякои стандарти. Те не са дефинирани и понякога се представят в различни версии. Веднъж във френска лаборатория видях плакат с определение, формулирано от американски физици. Стори ми се доста приемливо. От тяхна гледна точка "добрите" ускорители включват инсталации, които остават актуални за около двадесет години. Това е може би първото и най-важно условие. Естествено, параметрите на ускорителя постепенно се подобряват през годините чрез различни технически подобрения. Второто условие е цената на изграждане и експлоатация на инсталацията. Ако средствата, изразходвани за изграждането на ускорителя и последващата му експлоатация през посочените двадесет години, възлизат на не повече от 20 процента от разходите за използване на неговите лъчи (което означава цялата изследователска и приложна работа със собствено експериментално оборудване и инфраструктура), тогава идеята за създаване на това съоръжение е напълно оправдана. Разбира се, критериите не са строги и посоченото време е условен термин, но те позволяват да се разбере, че „играта си струваше свещта“.
С други думи, ускорителят, макар и голям и скъп, също е само част от оборудването в общата постановка на проблема. Друго нещо е, че тази част се използва в различни експерименти. И то във всеки експеримент трябва да съответства на целта. Всички ускорители на нашата лаборатория отговарят на тези изисквания. И ако вземем предвид, че групи със своето скъпо оборудване идват да работят в нашия ускорител, тогава разходите за неговото създаване ще се изплатят много по-рано от двадесет години.
В същото време винаги трябва да помним, че не сме сами, че някъде се изграждат други, по-модерни и съвършени инсталации. И човек трябва да помисли дали да спре сега и да се заеме със създаването на нова инсталация или да подобри собствената си.ускорител за специфични задачи, който отново ще го изведе на преден план. Тук до голяма степен, ако не и всичко, се определя от човешки и материални ресурси, които, разбира се, не са неограничени. Ако модернизацията не доведе до грандиозно начинание, тогава трябва да се направи, и то бързо. Ако това не е възможно, струва си да потърсите други начини. И ако не се намери решение, трябва да съберем смелост и да спрем или още по-добре да демонтираме този ускорител, за да не отклонява сили, ресурси и да не заема място. И не трябва да протакате това нещо. Ако погледнете историята на Лабораторията по ядрени реакции, тогава това често се случваше в нашата страна. Спомням си случай, когато самият аз се озовах в трудна ситуация, реших да затворя изцяло за работа голям ускорител и да започна радикалната му реконструкция. По това време инсталацията произвеждаше рекордни лъчи, но вече беше ясно, че още една-две години - и това предимство ще изчезне. Ще трябва да компенсирате загубеното време, освен това правете всичко набързо, което означава, че е с лошо качество и с грешки. По-добре е да тръгнете по-рано по този труден път, по пътя на прераждането на ускорителя. Последното поколение на всички наши модернизирани ускорители е напълно различно от своите предци, от които е останало малко. Понякога цели възли се заменят с нови, работещи на различен принцип, като се запазват само тези, които отговарят на съвременните изисквания. Убеден съм, че всеки ускорител, голям или малък, е физически инструмент за научни изследвания. И ако устройството не е подходящо, е необходимо да го изоставите и да създадете ново. Разбира се, през това време идеята може да остарее и експериментите, които сте планирали, ще бъдат извършени в други лаборатории. Е, тогава не съдба, но не и трагедия. Във всеки случай всички компоненти на експеримента - ускорител, експериментална настройка, детектори, електроника и т.н.отговарят на задачата. Ако има такава хармония, тогава ще има желания резултат. И ако нещо липсва, трудно се постига целта. Чудеса не се случват.
Затова в реалния научен живот на нашата лаборатория е желателно да има две паралелни, но координирани програми за развитие – ускорителна и експериментална. При експериментите за синтез на свръхтежки елементи това е особено важно. Преди началото на експериментите нашият ускорител имаше почти рекордни параметри спрямо световните аналози, но явно ни липсваха. Беше необходимо или да оставите всичко както е и да изоставите планирания експеримент, или да изключите ускорителя и по този начин да се лишите от възможността да провеждате каквото и да е изследване за известно време.
Както можете да видите, възниква необичайна и напрегната ситуация: добре познатата теза "най-доброто е враг на доброто" се превръща в "да бъдеш - или да не бъдеш". За да "бъдеш", трябва много да се промениш. И не можете да стигнете никъде - наистина много, но почти всичко се е променило, за да получите интензивен куп калций. Старият ускорител използваше толкова безумно скъп калций, че щяхме да отидем на вятъра при такава цена.
Бихме могли да продължим експериментите по тази тема, тъй като нашите ускорители по принцип "дърпат". Но за да се получи ново качество, винаги са необходими разходи. Обединете ускорителите в един комплекс, изградете галерия... Решихме да го направим решително и го направихме доста бързо - за три години. От идеята до момента на получаване на първия лъч - три години!
Все още не сме доволни от всичко, тъй като все още не сме достигнали всички проектни параметри. Но полученият през 2005 г. йонен лъч хелий-6 е напълно достатъчен за започване на експерименти на съвременно ниво. Те бяха стартирани, а миналата година резултатите бяха отчетени на всички големи международниконференции. Ще "издърпаме" параметрите на дизайна по пътя. Ще започнем втория етап от инсталацията, когато има финансиране: при липса на средства не си струва да се хаби енергия.
Разбира се, ускорителят не е създаден за един експеримент, дори и най-важният днес, но е по-добре да се покажат необходимите параметри за настройка за конкретен проблем, като се избере най-сложният експеримент.